深化应用CAPP

作者：上海交通大学 孔凡斌 明新国 王星汉

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... CAPP技术在中国已经走过了20多年的历史，在业内多方人士的共同努力下，已经发展成为一个完备的计算机辅助开发工具，成为制造业信息化的关键环节。 CAPP系统的应用大大提高了企业工艺设计和管理能力，缩短了产品开发和制造周期，使企业的竞争力逐年提高。随着信息技术和制造技术的发展，CAPP技术正向着集成化、智能化和分布化等趋势发展。然而这些新技术通常应用在新系统的研究和开发上，而对于那些使用CAPP多年的企业则不然。 不管何种理论或系统，在它的使用过程中都会存在这样或那样的问题。对于CAPP来讲，在其应用过程中也会给本身和企业带来许多问题，这也是CAPP深化应用进程中所要解决的问题。 长期应用CAPP的烦恼 1．产生的大量工作数据如何处理 CAPP系统是产品工艺过程的辅助设计工具，因此，对应于同一种规格型号的产品，必然就会产生一套相对应的工艺过程文档资料。在制造业中，一般企业每年都有几种到几百种型号的产品在生产制造，有的甚至达到上千种型号（如汽车零配件行业）。所以，企业在应用CAPP系统后必然会产生大量的工作数据。这些工作数据不可能仅作为简单的备份做存档处理，因为它是生产经验和知识的积累，不应把它闲置一旁。那么，如何处理这些数据是企业深化应用CAPP的一个重要课题。 2．如何提高工艺设计人员的水平 CAPP系统的自动化处理能力不但降低了工艺设计人员的创作积极性，而且使得工艺过程设计更加抽象。在工艺设计人员看来，CAPP系统就像黑箱工具，CAPP的自动化程度越高，这个黑箱就越大，他们所能了解的就越少，不利于他们的学习和提高。另外，CAPP系统的格式化，也降低了工艺人员的创新能力。许多企业在使用CAPP系统后，发现许多工艺人员的工艺设计水平没有提高，甚至有所下降。 3．工艺人员流失 众所周知，质量是生产出来的，工艺过程决定着产品质量，工艺过程规划的重要性不言而喻。然而，在CAPP实施的过程中，却出现了一种不好的现象，由于CAPP提高了工艺规划的速度，从表面上看，企业出现了工艺人员的富余现象。致使企业认为，应该大量减少从事工艺工作的技术人员; 并且在总结CAPP实施时，以减少了多少名工艺人员作为CAPP的重要实施成果之一; 更有的企业认为，工艺人员是一些“无足轻重”的“多余”人员，从而造成了大量从事工艺研究的技术人员转向其他技术领域。 4．一些成熟工艺在CAPP的实施应用中被丢弃 工艺不但来源于工艺技术人员的理论知识，更重要的是来源于生产过程中的经验总结。经验具有规律性，但不具备普适性，同时也可能违反一些常理（如很多经验公式就不符合“量纲相容原理”）。由于CAPP本性要求工艺过程规划程序的规范化和普适性，所以许多特殊的工艺不能很快地融入CAPP系统中，在CAPP应用中形成了一种特殊的另类群体。而这些另类群体由于仍然靠经验知识去完成，所以很多工艺工作人员为了逃避劳动而很少去问津，同时在企业加强CAPP应用的要求下，慢慢就被轻易地丢弃了。 这不是一种个别现象，而是众多实施CAPP系统的企业都经历的过程。在实施CAPP的最初，企业获得了工艺设计速度的提高，但是在经过几年的应用后却发现，原先一些生产效率很高的工艺却不复存在了。 5．工艺模式固定，没有创新 在激烈的市场竞争中，企业要想立于不败之地就必须不断降低自己产品的制造成本，提高生产效率。在当今降低制造成本的浪潮中，“降耗增效”是一种最有效的解决措施和现实方法，它要求的重点就是降低生产过程中的消耗。 如何在生产过程中降耗？很显然，除了管理问题外，就是工艺改进和创新的问题。工艺决定着生产效率和成本投入，工艺创新应是企业永远追求的目标之一。然而长期应用CAPP系统却造成了“软件禁锢”和工艺人员的惰性，使得工艺革新和创造缓慢，从而使得企业的工艺模式长期固定，缺乏创新。 深化应用CAPP的目标 1．加强自动化，提高效率 提高效率是企业永远追求的目标之一，CAPP的工作时间直接决定了产品或过程的准备时间。要提高生产效率必然要缩短CAPP的工作时间，那么，必然要求CAPP的自动化程度提高。因此，加强自动化是深化应用CAPP的一个必然的追求目标。 2．将CAPP扩展到其他复杂程度更高的产品 一般来讲，在CAPP系统应用之初，企业必然会挑选一些结构简单的产品来进行CAPP处理，而对于那些复杂程度高的产品依然采取传统的方式进行工艺过程规划。业界许多CAPP的成功案例基本上都是基于某种特定产品或产品的某一特定过程而言的，深化CAPP应用必然要求将一些过程应用的成果转移到其他产品或过程上去。 3．解决工艺人员缺失和缺乏创新的问题 从前文可以看出，企业在长期应用CAPP的过程中出现了工艺人员流失的现象，也出现了创新动力不足的问题，这是深化CAPP应用中的一个不可回避的问题。工艺人员素质的提高却与CAPP系统的自动化是一对矛盾，此涨彼消。然而，深化CAPP应用必然会带来CAPP系统的自动化程度提高，因此工艺人员本身是深化CAPP应用的一大障碍，这一问题的解决与否直接关系到深化应用的成败。 深化应用CAPP的举措 1．做好与其他系统的集成 集成不但是CAPP技术新的发展方向，也是解决旧系统中出现的问题和深化应用的有效方法。笔者认为，集成需要解决如下几个问题: （1）文件资料集成 早期的CAPP系统一般是单行系统，没有与其他系统集成。它的输入数据基本上来源于人工输入的产品样品或图纸上的信息，输出为设计好的工艺文件。工艺文件的保存一般包括两种方式: 电子文件和纸张方式。 在国内，电子格式的工艺文件无论是在文档名称，还是存放位置上，都普遍存在无规律的散乱现象，这是CAPP与其他系统进行集成的一大障碍。例如: 不同型号产品需要同一类型工具，不同的工艺设计人员可能取相同或不同的文档名称。因此，在与其他系统进行集成时必须解决这种文件资料的散乱现象。目前，解决这个问题的最有效的办法之一就是采用成组技术“GT”来对文档进行命名管理。 文档资料与其他系统进行集成的第二个问题就是文件格式问题。早期的CAPP文档基本上是与某一CAD系统相关的，可以通过制作接口插件（例如Active控件）的方式集成到其他系统。当然，这种集成可能不具有实时性的特点。 （2）业务流程集成 CAPP的业务流程包括从工艺路线选取、工艺流程设计、工艺设计等一直到工艺文件审批和发放的整个过程。与CAPP集成的系统一般为PDM/PLM系统，而PDM/PLM系统是一种功能强大的管理系统，因此将CAPP系统的业务流程集成到该系统是一个非常可取的方案。 这种集成有两种方式，一是PDM/PLM完全管理CAPP系统，将其作为一个子系统进行调用; 另一种方式则是PDM/PLM仅作为一个流程管理器，CAPP系统是一个独立的系统，通过数据转换接口将相关文档数据传送给PDM/PLM系统。 （3）管理方面集成 CAPP系统强调的是工艺过程规划，对于设计者和设计记录的管理一般涉及得比较少。在当今质量管理的模式下，产品的可追溯性是一个相当重要的质量特性。在整个ISO9000质量管理体系中无不贯穿着可追溯性。一句质量界的俗语“没有记录就没有发生”体现了可追溯性的重要性。 作为产品生产依据的工艺文件不可能抛开可追溯性这一重要的质量要求。因此CAPP系统必须增加对设计者和设计记录进行管理的功能。目前，PDM/PLM系统具有用户、版本等管理模块，因此将CAPP系统集成到PDM/PLM系统中是解决CAPP系统管理问题比较理想的方法。 2．充分利用现有数据 （1）现有数据是深化应用CAPP的依据 深化应用CAPP的一个非常重要的方面就是提高CAPP系统的自动化程度，扩展CAPP系统的应用范围。而长期应用CAPP所积累的过程文档则为此提供了坚实的资料基础。这是因为CAPP产生的文档都是与某个产品相关的工艺文件资料，这对于提取产品的共同特征非常有利，资料越多可以提取到的相同特征就会越多，也更加符合工艺过程的实际情况，从而可以很方便地在CAPP中增加自动化处理的项目。因此，现有的大量的CAPP数据资料是深化应用CAPP的重要依据。 （2）现有数据是建立产品平台的依据 产品平台技术已经在汽车工业成功地实施了20多年，它节约了开发和制造成本，缩短了市场投放时间，已是当今制造业中一项非常成功的技术。产品平台技术的设计依据来源于产品的共同特征。这些共同特征不但体现了产品的相同架构，而且也体现了制造成本极小化的特点。制造成本极小化的确定来源于生产实际的消耗分析，而生产实际消耗多少则在很大程度上取决于产品制造工艺。因此，大量CAPP数据资料为提取产品的成本极小化特征提供了方便。 （3）为市场开发提供依据 零配件企业在制造业中占据着非常大的比重。以一个汽车制造厂为例，它的配套企业（OEM）多达成百上千家。这些OEM厂商经常面临着对外报价的问题，而这些报价往往不是简单的一个产品价格的问题，而是一个相当复杂的报价事务。如: 三大汽车公司要求其供应商的报价资料不单涉及制造成本、管理成本和利润等项目，而且要将这些项目详细量化到每一个制造工序。 可以说，这些报价要求已经深入到了产品的制造过程。因为报价期限较短，所以不可能在产品制定了工艺以后再进行，为了满足这种报价需求，应当采取类比的方式进行。那么，这些长期积累的CAPP数据资料就派上了用场。有了这些数据就可以大大缩短报价周期，为市场开发提供便利。 3．加强分布式应用 随着竞争的日益激烈，市场对制造业的要求也越来越高，产品更新换代的速度逐年增快，企业的技术人员正面临着前所未有的挑战，知识面的“企业局限性”使他们疲惫不堪，很难应对这种竞争局面。 企业间、企业与研究机构间的合作为解决这种难题提供了一个非常好的机遇。如何利用好企业外的“智力资源”已是目前许多企业面临的一项重要课题。工艺规划作为制造业中一项关键的技术工作，更具有利用这些外力的迫切性。网络技术的发展使得人们足不出户就可以与天下沟通。CAPP要想利用企业外资源就必须扩展到网络上，但是仅有网络还不够，还需要诸如协同处理和并行技术等才能实现，实现远程共享。 采用网络，并利用协同技术，使用企业内外两种“智力资源”为企业服务，不但有利于企业吸取企业外部的精华，更重要的是，可以弥补企业工艺人员流失和缺乏创新能力的问题。 4．进一步加强智能化 深化应用CAPP必然涉及到CAPP的处理速度问题，只有加快其处理速度，才能更加有效地缩短产品制造准备期，缩短市场投放时间。 提高CAPP的处理速度，显然必须提高CAPP的自动化能力。而智能化是提高自动化能力的一项非常重要的手段。实际上，从最初基于逻辑的创成式系统到专家系统，人们对CAPP的智能技术进行了大量研究。各种人工智能理论，如神经网络、模糊理论、遗传算法和Agent等技术开始在一些较晚期的CAPP系统中得到应用，并取得了良好效果。对于以前的CAPP系统智能化拓展，同样是提高CAPP自动化处理的有力办法。 链接 CAPP研究状况 1．CAPP在国外的发展及研究情况 CAPP的概念最早产生于20世纪60年代。1969年，挪威推出了世界上第一个CAPP系统——AUTOPROS（Automated Process Planning System），并于1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。1976年，美国计算机辅助制造国际组织（CAM-I）推出了具有促进CAPP发展里程碑意义的CAM-I’S Automated Process Planning系统。 在CAPP出现的近40年时间里，经历了5个发展阶段，分别是: 阶段1—手工分类、标准化工艺过程规划（Manual classification，standardized process plans）; 阶段2—计算机维护的工艺过程规划（Computer maintained process plans）; 阶段3—派生式CAPP（Variant CAPP）; 阶段4—创成式CAPP（Generative CAPP）和阶段5—动态、创新式CAPP（Dynamic, generative CAPP）。 在CAPP产生以前，制造业为了实现工艺自动化，开始将工艺过程进行分门别类，对各个过程进行标准化，使得工艺过程规划得到了提高。 随着计算机技术的发展，制造业开始使用计算机来维护和管理那些已经过分类和标准化的工艺过程资料和数据，从而进入了第二个发展阶段。 随着理论发展，CAPP进入了阶段3，产生了真正的CAPP系统—派生式系统。派生式系统由阶段2（可称为“检索式CAPP”）发展而来，并形成了今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统。 CAPP进一步发展就进入了阶段4—创成式系统。1977年，Wysk在他的博士论文中首次提出了一个创成式CAPP系统—APPAS。理想的创成式CAPP系统，通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干预的情况下自动生成工艺。 随后CAPP的发展开始进入了第5阶段，该阶段的特征是智能和动态。 自20世纪80年代以来，一些学者开始探索将人工智能技术应用于CAPP系统的研究和开发，并成功地研制出了基于知识的CAPP系统、CAPP专家系统等智能化的CAPP系统。Van.Zeir G提出了交互式工艺设计（Interactive Process Planning）的概念，并开发了基于交互式的CAPP原型系统。 CAPP5个发展阶段的技术并不局限于本阶段的发展，而是从低级阶段渗透到高级阶段。我们按照工艺过程规划生成的方法，可以将CAPP系统分为三个大类: 派生式、创成式和混合式。 2．国内CAPP的发展及研究现状 我国CAPP技术的研究开始于20世纪80年代。1982年，上海同济大学正式推出了我国第一个CAPP系统—TOJICAP; 西北工业大学推出了我国第一个创成式CAPP系统—CAOS系统。在国家863/CIMS计划的支持和推动下，在20世纪最后几年里，我国的CAPP技术取得了很大的成绩。 1996年，西北工业大学完成了国家863-CIMS重点推广应用工程“西飞公司XAC-CIMS工程子项目XAC-CAPP系统”开发。1997年，金叶西工大软件公司提出“以交互式设计为基础的综合智能化、以产品数据为核心、工艺设计与管理一体化”的CAPP产品化概念与理论方法体系。 近几年，国内成功的CAPP系统有浙大大天公司的“GS-CAPP”、西北工业大学的“CAPPFramework”、天喻信息产业责任有限公司的“InteCAPP系统”、北京清华京渝天河软件公司的“THCAPP”、华工科技产业股份有限公司的“开目CAPP”及上海SIPM公司的“SIPM-CAPP”等。（文/孔凡斌、明新国、王星汉） （作者单位: 上海交通大学机械与动力工程学院计算机集成制造研究所）(end)

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